FPGA綜合實驗項目介紹電子科技大學(xué)

FPGA綜合實驗項目介紹電子科技大學(xué)第1頁/共69頁主要內(nèi)容5.數(shù)字頻率計綜合設(shè)計3.智力搶答器綜合設(shè)計4.加速度傳感器的計步器

綜合設(shè)計1.數(shù)字跑表綜合設(shè)計2.交通燈控制器綜合設(shè)計第2頁/共69頁3

數(shù)字跑表綜合設(shè)計第3頁/共69頁4指標(biāo)1、跑表精度為0.01秒2、跑表計時范圍為：1小時3、設(shè)置開始計時/停止計時、復(fù)位兩個按鈕4、顯示工作方式：用六位BCD七段數(shù)碼管顯示讀數(shù)。顯示格式：擴展功能：按鍵消抖；選手時間分時顯示

分秒0.01秒第4頁/共69頁5系統(tǒng)組成（基本要求）使能控制計數(shù)器石英振蕩器分頻器顯示控制開始/停止按鍵時間顯示復(fù)位按鍵第5頁/共69頁6系統(tǒng)組成（擴展要求）消抖電路計數(shù)器石英振蕩器分頻器顯示控制開始/復(fù)位按鍵時間顯示選手到終點計時存/取按鍵數(shù)據(jù)鎖存數(shù)據(jù)讀取第6頁/共69頁7內(nèi)部模塊計數(shù)器分頻器掃描顯示及譯碼控制開始/停止使能控制清零控制

第7頁/共69頁8提供的標(biāo)準(zhǔn)信號是48MHz

輸出二個信號1KHz、100Hz分頻器模塊設(shè)計第8頁/共69頁9基于計數(shù)器方法實現(xiàn)123

4512

3

4

5

1

2clkinclkout10個主要語句：ifclkin'eventandclkin='1'thenifcnt=5then cnt<=1; clkout<=notclkout; else cnt<=cnt+1; endif;endif;例ifclkin'eventandclkin='1'then ifcnt=10thencnt<=1; elsecnt<=cnt+1; endif; endif; endprocess; clkmid<=conv_std_logic_vector(cnt,4); clkout<=clkmid(3);分頻器實現(xiàn)原理第9頁/共69頁10計數(shù)器單級計數(shù)器計數(shù)器級聯(lián)后模塊設(shè)計第10頁/共69頁11級聯(lián)方式：同步級聯(lián)和異步級聯(lián)同步級聯(lián)原理圖：第11頁/共69頁12異步級聯(lián)原理圖：第12頁/共69頁13模塊設(shè)計譯碼顯示控制8位數(shù)碼管采用動態(tài)掃描方式數(shù)碼管為共陽數(shù)碼管G第13頁/共69頁數(shù)碼管工作原理第14頁/共69頁15顯示原理掃描計數(shù)CLK數(shù)據(jù)選擇SEL(2:0)MH(3:0)ML(3:0)SH(3:0)SL(3:0)DS(3:0)CS(3:0)七段譯碼器SIG(3:0)SEG(6:0)G第15頁/共69頁

交通燈控制器綜合設(shè)計

第16頁/共69頁設(shè)計一個十字路口的交通燈控制電路；東西方向車道和南北方向車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，每次通行時間都設(shè)為45秒，時間可設(shè)置修改；在綠燈轉(zhuǎn)為紅燈時，要求黃燈先亮5秒鐘，才能變換運行車道；黃燈亮?xí)r，要求每秒閃亮一次；每一種燈亮的時間用數(shù)碼管進行顯示（采用倒計時法顯示）。功能要求第17頁/共69頁系統(tǒng)組成分頻器到計時計數(shù)器信號燈轉(zhuǎn)換器東西方向信號燈南北方向信號燈第18頁/共69頁狀態(tài)圖第19頁/共69頁真值表第20頁/共69頁分頻電路設(shè)計計數(shù)器設(shè)計狀態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)計時間顯示器設(shè)計內(nèi)部模塊第21頁/共69頁22

智力搶答器綜合設(shè)計第22頁/共69頁編號為1-6的選手在規(guī)定的時間內(nèi)（10秒）按鍵搶答；搶中編號鎖定顯示，其他無效；主持按鍵控制清零和開始；選手搶中后在規(guī)定的時間內(nèi)（30秒）答提;具有報警提示功能，分別提示搶答開始，有人搶答，搶答時間到，答題時間到。報警延時學(xué)號+500，單位ms；23基本功能第23頁/共69頁24模塊組成

編碼鎖存器搶答定時器答題定時器報警延遲器多路選擇器掃描控制器第24頁/共69頁25可編程實現(xiàn)原理框圖主持按鍵時鐘選手按鍵編碼鎖存器搶答定時器顯示輸出報警器報警輸出答題定時器掃描控制器多路選擇器掃描輸出第25頁/共69頁26模塊設(shè)計編碼鎖存器

開始信號低電平有效選手按鍵為負觸發(fā)選手編碼輸出為七段顯示數(shù)碼信號，共陽管。第26頁/共69頁27編碼鎖存器內(nèi)部流程1START搶答時間到編碼器XS(5:0)鎖存器Q_ZQ(6:0)S(6:0)QZ選手輸入開始與清零搶中信號SJD_QD搶中選手號碼選手號碼第27頁/共69頁28編碼鎖存器內(nèi)部流程2START時間到鎖存編碼XS(5:0)S(6:0)Q_Z選手輸入開始與清零搶中信號SJD_QD搶中選手號碼或第28頁/共69頁29模塊設(shè)計搶答定時器

開始信號低電平有效系統(tǒng)時鐘48MHz

計時5秒，輸出數(shù)據(jù)數(shù)碼管顯示（共陽）第29頁/共69頁30搶答定時器內(nèi)部流程分頻器CLK倒計數(shù)器1HzQ(4—0)STARTQZSJD_QD時間到主持人搶中時間數(shù)據(jù)48MHz七段譯碼器DOUT(6:0)第30頁/共69頁31模塊設(shè)計答題定時器

模塊計時啟動信號QZ，來自編碼鎖存的搶中信號系統(tǒng)時鐘48MHz

計時10秒，輸出數(shù)據(jù)數(shù)碼管顯示（共陽）第31頁/共69頁32答提定時器內(nèi)部流程分頻器CLK倒計數(shù)器1HzQ(9—0)QZSJD_DT時間到搶中時間數(shù)據(jù)48MHz七段譯碼器SOUT(6:0)第32頁/共69頁33模塊設(shè)計報警延遲器

系統(tǒng)時鐘48MHz

報警源：start，qz，sjd_qd，sjd_dt。報警輸出qz，每個源觸發(fā)低電平有效，持續(xù)200ms第33頁/共69頁34報警觸發(fā)STARTQZ搶中SJD_QD搶答時間到B_J報警輸出開始延遲計時器SJD_DT答題時間到CLK系統(tǒng)時鐘48MHZBJ報警延遲器內(nèi)部流程1第34頁/共69頁35報警延遲器內(nèi)部流程2或與門報警輸出BJQZSTART觸發(fā)計數(shù)延時1SJD_QDSJD_DTBJ1BJ2BJ3BJ4觸發(fā)計數(shù)延時2觸發(fā)計數(shù)延時3觸發(fā)計數(shù)延時4CLK第35頁/共69頁36模塊設(shè)計多路選擇器

數(shù)據(jù)輸入：搶中選手號碼，搶答計時，答題計時，三個數(shù)據(jù)均是七段碼信號。選擇控制：來自掃描輸出的兩位信號。數(shù)據(jù)輸出：數(shù)碼管七位信號第36頁/共69頁37模塊設(shè)計掃描控制器

系統(tǒng)時鐘48MHz

輸出掃描頻率控制在1KHZ—100KHZ左右。第37頁/共69頁38掃描模塊內(nèi)部流程分頻器CLK模8計數(shù)器48KHzS(2:0)48MHzCLK_1000第38頁/共69頁39系統(tǒng)圖第39頁/共69頁

加速度傳感器計步器綜合設(shè)計

第40頁/共69頁（1）運用加速度傳感器、放大電路以及基于555定時器的脈沖整形電路的相關(guān)原理，設(shè)計一個能夠檢測步頻加速信號，并將步頻加速信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號的步頻脈沖產(chǎn)生電路。（2）在步頻脈沖產(chǎn)生電路基礎(chǔ)之上，設(shè)計基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)，完成對步頻脈沖信號的計數(shù)及掃描顯示。（3）傳感電路輸出脈沖高電平3V±0.5V。（4）步頻計數(shù)范圍0—99循環(huán)計數(shù)，用兩個數(shù)碼管掃描顯示。任務(wù)與指標(biāo)第41頁/共69頁系統(tǒng)組成

傳感電路（硬件）+計步器電路（HDL)第42頁/共69頁加速度傳感電路硬件設(shè)計原理圖第43頁/共69頁加速度傳感電路硬件設(shè)計PCB圖第44頁/共69頁加速度傳感電路硬件設(shè)計元器件清單第45頁/共69頁

加速度傳感電路硬件設(shè)計調(diào)試波形第46頁/共69頁計步器功能FPGA程序設(shè)計系統(tǒng)模塊組成第47頁/共69頁系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試第48頁/共69頁49

數(shù)字頻率計綜合設(shè)計第49頁/共69頁功能指標(biāo)1、被測輸入信號：方波2、測試頻率范圍為：10Hz～100MHz3、量程分為三檔：第一檔：閘門時間為1S時，最大讀數(shù)為999.999KHz第二檔：閘門時間為0.1S時，最大讀數(shù)為9999.99KHz第三檔：閘門時間為0.01S時，最大讀數(shù)為99999.9KHz4、顯示工作方式：a、用六位BCD七段數(shù)碼管顯示讀數(shù)。b、采用記憶顯示方法c、實現(xiàn)對高位無意義零的消隱。第50頁/共69頁51頻率的概念頻率測量方法設(shè)計方框圖模塊設(shè)計設(shè)計分析第51頁/共69頁52頻率的概念

所謂“頻率”，就是周期性信號在單位時間(1秒)內(nèi)變化的次數(shù)。若在一定的時間間隔T內(nèi)計數(shù)，計得某周期性信號的重復(fù)變化次數(shù)為N，則該信號的頻率可表達為：

f=N/TTt第52頁/共69頁53頻率測量方法直接測量法

被測信號輸入閘門計數(shù)器放大整形時基信號發(fā)生器門控電路②①③④⑤①②③④⑤T第53頁/共69頁54其中稱為±1誤差稱為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差直接測量法誤差第54頁/共69頁55周期測量法

頻率測量方法TC第55頁/共69頁56周期測量法誤差其中稱為±1誤差稱為標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差第56頁/共69頁57被測信號輸入設(shè)計方框圖閘門計數(shù)器放大整形門控電路石英振蕩器鎖存器分頻器閘門選擇掃描顯示控制子系統(tǒng)(顯示譯碼掃描控制)閘門選擇開關(guān)GateOver被測頻率顯示GATECLEARLATCH第57頁/共69頁58FINGATELATCHCLEAR1秒測頻時序關(guān)系第58頁/共69頁59分頻器的功能是產(chǎn)生所需閘門控制信號及掃描時鐘信號

提供的標(biāo)準(zhǔn)信號是48MHz

輸出四個信號1Hz，10Hz，100Hz，1KHz分頻器模塊設(shè)計第59頁/共69頁60閘門選擇器實現(xiàn)對輸入的幾個閘門信號的手動選擇輸出被選中的閘門信號以及小數(shù)點的控制信號DP1，DP2，DP3模塊設(shè)計主要語句示例：ifse1='1'andse10=‘0’andse100=‘0’then fref<=f1hz; dp1<='0';dp2<=‘1';dp1<=‘1';第60頁/共69頁61測頻控制器

控制整個頻率計各模塊的工作時序產(chǎn)生閘門信號Gate，鎖存信號Latch以及清零信號Reset模塊設(shè)計主要語句示例：

ifrising_edge(Bsignal)thenG1<=notG1;endif;iffalling_edge(bsignal)then G2<=notG1;endif;gate<=G1; latch<=G2;第61頁/共69頁62頻率計數(shù)器單級計數(shù)器（十進制）計數(shù)器級聯(lián)后模塊設(shè)計第62頁/共69頁63級聯(lián)方式：同步級聯(lián)和異步級聯(lián)同步級聯(lián)原理圖：第63頁/共69頁64